0-3型压电复合材料D33的数值分析与材料优化制备

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压电复合材料的研究虽然广泛,但提高其压电性能的难题一直难以跨越。本文通过建立复合压电材料的几种理论模型,并对其进行数值分析,找出了影响复合材料压电性能的因素,以利于更快更好地实现材料复合材料压电性能的飞跃。数值分析的结果表明:组元的介电常数、压电常数、弹性模量、颗粒尺寸等均对复合材料的压电性能存在一定的影响,在提高复合材料的性能,须从多方面着手。 组元的介电常数影响复合材料内部的电势场分配,使材料在极化过程和压-电过程的电场强度受到影响。在无机/有机复合材料中,具有较低介电常数的有机相通常倾向于获得高的分布电势,从而使复合材料的性能劣化。为此,选用具有较高介电常数的高分子聚合物作为有机组元,并设法降低无机组元的介电常数将具有十分重要的意义。 组元的强压电性通常带来复合材料的高压电性,但这并不是组合的全部。由于有机相和无机相的压电常数具有相反的符号,导致有机相的压电能力越强,复合材料的压电性能越差。解决这一问题的途径有叁种:降低有机相的压电能力;提高无机相的压电能力;设法使两种组元压电常数的符号一致后提高有机相的压电能力。 弹性模量的差异使不同组元间的结合受到影响。对0-3型复合材料而言,应力的传递主要通过三维网络结构的有机相进行,而大的弹性模量差异延迟的材料内部应力的传递,起主要作用的压电陶瓷相因所受应力小而减弱了其压电能力的发挥,最终表现为复合材料压电能力的下降。 颗粒形状和尺寸也影响到0-3复合材料的压电性能。陶瓷颗粒在不同堆积方式下,对复合材料的压电常数的贡献不同。使用不同的复合工艺,材料的颗粒的排布方式不同,最终表现出性能的差异。在无机组元含量较低时,颗粒倾向于分散;随着无机组元含量的提升,分散状态无法容纳所有的陶瓷颗粒,使其排布发生变化,并最终归于密堆积方式排布。在各种不同排列方式中,陶瓷粒度均对复合材料压电性能产生影响。在最密堆积排布下,采用不同粒度的陶瓷颗粒,使小颗粒填充于大颗粒堆积的间隙,对提高复合材料的压电常数是十分有利的。但单纯地减小陶瓷粉体的粒度,对提高复合材料压电性能的作用不明显。摘要 通过一系列的分析,制定相应的实验方案,确定以不同的合成方法,辅以一定的元素掺杂,制备压电陶瓷粉体。将陶瓷粉体与高分子聚合物PvDF复合,在一定温度和静电场下进行材料极化,制备压电复合材料样品。对不同方案所得复合材料样品进行性能测试表明,经过改良方案后获得材料的压电常数得到了一定程度的提高。关键词:复合模型,0一3复合,压电常数,介电常数,粒度,极化
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